CN111721816A

CN111721816A - 一种三维ect传感器

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Publication number: CN111721816A
Application number: CN202010741762.2A
Authority: CN
Inventors: 张鹏; 王文涛; 赵凯月; 于子浩; 高凯凯; 赵铁军
Original assignee: Qingdao University of Technology
Current assignee: Qingdao University of Technology
Priority date: 2020-07-29
Filing date: 2020-07-29
Publication date: 2020-09-29

Abstract

本发明属于混凝土构件耐久性监测设备技术领域，具体涉及一种三维ECT传感器，可调节式夹具有利于探测多种不同尺寸混凝土构件内部水分传输的异同，在提高成像分辨率的同时降低试验成本；五面非闭合式结构使得测量过程中传感器的组装和拆卸更加简便；钢制夹具包裹被测电极，有效抑制测量过程中外界杂散电容的干扰；铜质电极板粘贴于亚克力板外壁，能够防止电极板与腐蚀性介质接触；电极表面包裹一层泡沫胶带，能够固定和保护电极板与电极引线的焊接处；五面放置电极增加了被测电极的数量，从根本上提高了重建图像的分辨率；采用带刻度的注水管进行混凝土内部水分传输试验，有利于定量分析混凝土构件内部水分传输的信息。

Description

一种三维ECT传感器

技术领域：

本发明属于混凝土构件耐久性监测设备技术领域，具体涉及一种三维ECT传感器，能够实现混凝土构件内部水分传输的三维无损可视化监测。

背景技术：

混凝土是现代土木工程建筑中应用最广泛的建筑材料，也是最主要的结构原料。然而，混凝土结构在实际服役过程中不可避免的受到外界荷载和环境的影响，使得材料性能产生一定程度的劣化和衰退，严重时会导致结构耐久性失效。混凝土结构劣化的原因多种多样，而水分的存在及迁移是导致耐久性不足的重要诱因与关键因素。基于无损检测技术探测水泥基材料内部水分分布，有助于更好地理解和深入研究水泥基材料耐久性的破坏过程。

20世纪80年代后期，在医学CT技术基础上形成并发展起来的电容层析成像技术(ECT)是一种基于电容敏感机理的过程成像技术，通过安装在被测物体表面的电极阵列，获取被测物体在不同角度和不同时刻下的投影数据，采用图像重建算法重建出被测物体内部介电常数的分布，实现物体内部介质分布的可视化测量。ECT技术具有非侵入性、响应速度快、适用范围广、成本低、无辐射、便携等优点，利用ECT技术定量研究混凝土结构内部水分分布，能够为更加客观和准确地评价混凝土结构耐久性提供有效的技术支持。

ECT系统由阵列式电容传感器、数据采集与信息处理系统和成像计算机三部分组成，阵列式电容传感器的设计和制作是ECT系统的核心部分。例如：中国专利201821342601.0公开的一种新型ECT传感器，包括连接法兰、镀层管体、电极片组件及保护套；所述连接法兰包括第一法兰盘及第二法兰盘，所述第一法兰盘通过连接管与所述第二法兰盘连接，所述第一法兰盘、所述连接管及所述第二法兰盘相互连通；所述第一法兰盘及所述第二法兰盘上均设有若干通孔，所述第二法兰盘远离所述连接管的一端设有卡槽，所述镀层管体包括管体本体及两个固定盘，两个所述固定盘设有所述管体本体的相对两端，并与所述管体本体一体成型；所述管体本体能够插接于所述卡槽中，并与所述连接法兰连通；所述固定盘上设有穿孔，所述穿孔与所述第二法兰盘上的通孔对应设置，用于引出所述电极片组件的引线，所述电极片组件包括若干电极片，且若干所述电极片呈均匀阵列分布在所述管体本体的外壁环周，所述保护套上设有灌胶口，所述保护套套设于所述镀层管体外侧，所述保护套的内径与所述固定盘直径一致；所述保护套与所述镀层管体连接的空隙处灌入填充胶，所述连接法兰的数量为两个，且两个所述连接法兰对应设置，两个所述连接法兰之间设有所述镀层管体及所述保护套；两个所述连接法兰通过长螺栓与螺母连接，所述第一法兰盘、所述连接管及所述第二法兰盘间相互焊接连接；所述第二法兰盘与所述固定盘间也焊接连接，所述连接法兰与所述保护套的材质均为304不锈钢，所述镀层管体的材质为聚四氟乙烯；中国专利201821342017.5公开的一种ECT传感器，包括镀层管体和两个外层管体，两个所述外层管体相对设置于镀层管体的外部，所述镀层管体与两个所述外层管体之间形成空腔；所述镀层管体包括管本体和固定设置在所述管本体两端的圆环，所述管本体和圆环一体成型，所述圆环上开有通孔，所述管本体的外壁紧贴设置有电极片，所述电极片的外部设置有防护层，所述防护层的外侧设置有耐高温胶层，所述耐高温胶层位于所述通孔的下侧，所述外层管体包括连接法兰、固定部和连接部，所述连接法兰、固定部和连接部依次焊接连接且一体成型，所述连接法兰上设置有法兰孔，所述连接法兰的外壁上开有法兰环槽，所述固定部上设有固定孔，所述固定孔内设置有信号传输机构，所述固定部的外壁上设置有螺纹，所述固定部螺纹连接有大锁母，所述大锁母位于固定件的上侧；所述连接部上设置有连接孔，所述连接孔内设置有螺栓，两个所述外层管体通过螺栓与螺母固定连接，所述连接部的外壁上开有环槽，所述通孔和法兰孔圆周均匀设置为4个，相邻所述通孔或法兰孔中轴线之间的夹角为90度；所述固定孔和连接孔圆周均匀设置为8个，相邻所述固定孔或连接孔中轴线之间的夹角为45度，所述信号传输机构包含绝缘柱，所述绝缘柱上设置有绝缘通孔，所述绝缘通孔内贯穿设置有探头，所述探头的顶部外壁上设置有螺纹，所述探头的顶部螺纹连接有M3螺母，所述探头呈十字形，所述M3螺母的上侧设置有接线接头，所述接线接头与所述探头螺纹连接；所述探头的底部接有引线，所述引线穿过所述耐高温胶层和防护层与电极片相接触，所述绝缘柱内部的绝缘通孔设置为4个，所述圆环、管本体和绝缘柱的材质均为聚四氟乙烯；所述外层管体和大锁母的材质均为304不锈钢；所述探头的材质为铜，所述电极片围绕管体均匀设置，所述电极片的总数量为16片；其存在构造复杂、无法定量无损监测混凝土内部轴向水分分布的几何形状、相对位置及体积的准确信息且不适用于多种尺寸混凝土构件的缺点。传统的二维ECT传感器在被测物体周围布置一层测量电极，假定沿测量电极长度内被测物体内部的介质呈均匀分布，重建图像以二维断层图的形式输出，实现物体内部介质分布的二维可视化无损测量，所得到的结果是敏感场空间内的一个轴向平均值，介质分布的几何形状、相对位置、体积等信息均无法直接从二维图像中获取，导致图像重建过程中计算误差增大，进而降低了轴向分辨率。相比之下，三维ECT系统在被测物体周围布置多层电极，同时测量同层电极和不同层电极的电容信号，不经过二维断层成像处理，在重建过程中直接重建出三维图像，在减小误差的同时提高了轴向分辨率，测量结果更符合实际介质传输规律。但是，三维ECT技术受制于固有的软场特性，导致即使是在空传感器下的敏感场分布也是极为不均匀的，非均匀性与传感器各部结构参数的设计相关，很大程度上影响了图像重建的质量，基于此，三维阵列式电容传感器的设计是三维ECT系统的关键和核心技术之一，是实现水泥基材料内部三维非饱和水分传输成像的重要前提。

ECT技术在工业、石油、化工领域应用较多，取得了一定的研究成果，但是，在水泥基材料领域，ECT技术仅仅处于初探阶段，与之相关的文献少之又少，尚未有三维ECT技术应用于水泥基材料领域的专利。通过学科交叉将三维ECT技术应用于水泥基材料领域，研发基于电容测量监测水泥基材料内部水分传输的三维阵列式电容传感器，突破混凝土非透明局限，实现水分传输过程中几何形状、相对位置和体积的精准无损探测，对水分传输过程进行三维定量表征，为混凝土耐久性监测提供一种新的研究思路和手段，实现混凝土结构耐久性的精准预测。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种尺寸可调节、非闭合式的监测混凝土构件内部水分传输的三维ECT传感器，实现混凝土内部非饱和水分传输成像的三维定量表征，为混凝土耐久性研究提供理论与技术支持。

为了实现上述目的，本发明涉及的三维ECT传感器的主体结构包括注水管、绝缘层、保护层、电极板、电极引线、夹具、底板、立杆、通孔、螺母、螺杆和钢板；混凝土试件的顶面与注水管连接，混凝土试件的侧面和底面均包覆有绝缘层，绝缘层的外部设置有保护层，绝缘层与保护层之间设置有电极板，电极板与电极引线连接，侧面的保护层的外围设置有夹具，保护层的两个相邻侧面与夹具接触，保护层的另外两个相邻侧面与夹具之间留有空隙，底面的保护层与底板连接，夹具的两端通过设置在底板上的立杆固定，与保护层之间留有空隙的夹具上开设有通孔，通孔内设置有螺母，螺杆穿过螺母将钢板固定于保护层的外部。

本发明涉及的混凝土试件是长度为10cm，宽度为10cm，高度为15cm的长方体结构，混凝土试件与注水管通过硅酮胶粘贴式连接，注水管是直径为4cm，高度为15cm的无底面塑料量筒，采用硅酮胶填缝，注水管上印有刻度线，便于定量分析成像结果；绝缘层为透明的有机玻璃板，侧面的绝缘层的长度为10cm，宽度为15cm，厚度为2mm，底面的绝缘层的长度为10cm，宽度为10cm，厚度为2mm，与混凝土试件紧密贴合；保护层是厚度为5mm的泡沫双面胶带，能够降低电极板与夹具之间的杂散电容，固定电极引线的同时保护电极板不受磨损；电极板是长度为4.5cm，宽度为4.5cm，厚度为0.1mm的铜箔片，电极板之间的间距为2mm，电极板距离绝缘层的边缘的距离为4mm，以降低电极板之间的干扰，提高三维成像的分辨率；电极引线是直径为3mm的RG316镀银射频同轴电缆，耐高温、耐腐蚀，外部镀银层能够有效屏蔽信号传输过程中外界的电磁场干扰；夹具是厚度为1mm的不锈钢板，能够降低外界杂散电容的干扰，便于携带；底板是长度为15cm，宽度为15cm，厚度为1mm的钢板；立杆是长度为1cm，宽度为1cm，高度为15cm的不锈钢杆；通孔的直径为6mm；螺母是内径为6mm的六角螺母；螺杆的长度为5cm，便于根据混凝土试件的大小进行调节，方便拆卸；钢板的长度为10cm，宽度为14.5cm，厚度为1mm，用于贴合电极板。

本发明与现有技术相比，摒弃了传统的闭合式圆柱体设计方案，采用更加符合混凝土结构的多尺寸调节、非闭合式长方体结构，同时对电极的尺寸和放置位置、壁厚、屏蔽措施及电极引线进行全面优化，实现多种混凝土构件内部三维非饱和水分传输成像的实时无损精准探测；可调节式夹具有利于探测多种不同尺寸混凝土构件内部水分传输的异同，避免了传统传感器因频繁更换夹具对测量结果造成的误差，在提高成像分辨率的同时降低试验成本；五面非闭合式结构使得测量过程中传感器的组装和拆卸更加简便，避免了被测电极和电极引线的磨损；采用钢制夹具包裹被测电极，有效抑制测量过程中外界杂散电容的干扰，避免长时间使用产生的铁锈对测量结果的影响；铜质电极板粘贴于亚克力板外壁，能够防止电极板与腐蚀性介质接触，避免对电极造成破坏；电极表面包裹一层泡沫胶带，能够固定和保护电极板与电极引线的焊接处，防止测量过程中因移动传感器而导致电极引线脱落；五面放置电极增加了被测电极的数量，从根本上提高了重建图像的分辨率；采用带刻度的注水管进行混凝土内部水分传输试验，有利于定量分析混凝土构件内部水分传输的信息；其易于拆装、灵敏度高、造价低廉、简易便携，能够实现无损监测混凝土内部三维水分传输成像，弥补传统传感器在轴向上成像分辨率不足问题，更加符合混凝土结构实际服役过程中水分传输规律，为混凝土结构耐久性的研究提供科学依据。

附图说明：

图1为本发明的主体结构的主视图。

图2为本发明的主体结构的俯视图。

图3为本发明的主体结构的左视图。

图4为本发明的局部结构的立体图。

图5为本发明涉及的混凝土试件与注水管的连接示意图。

图6为本发明实施例1涉及的监测混凝土构件内部水分传输的工艺过程示意图。

具体实施方式：

下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的三维ECT传感器的主体结构包括注水管2、绝缘层3、保护层4、电极板5、电极引线6、夹具7、底板8、立杆9、通孔10、螺母11、螺杆12和钢板13；长方体结构的混凝土试件1的顶面与注水管2粘贴式连接，混凝土试件1的侧面和底面均包覆有绝缘层3，绝缘层3的外部设置有保护层4，侧面的绝缘层3与保护层4之间设置有六片电极板5，底面的绝缘层3与保护层4之间设置有四片电极板5，电极板5通过锡焊与电极引线6连接，侧面的保护层4的外围设置有夹具7，保护层4的两个相邻侧面与夹具7接触，保护层4的另外两个相邻侧面与夹具7之间留有空隙，底面的保护层4与底板8连接，夹具7的两端通过设置在底板8上的立杆9固定，与保护层4之间留有空隙的夹具7上开设有通孔10，通孔10内设置有螺母11，螺杆12穿过螺母11将钢板13固定于保护层4的外部。

本实施例涉及的三维ECT传感器监测混凝土构件内部水分传输的工艺过程是：

一、制备两块混凝土试件1，放置于标准养护室养护28d，取出后置于温度为105℃的鼓风干燥箱中干燥至恒重，将其中一块混凝土试件1置于真空饱水仪中饱水22小时制成饱和度为100％的饱水试件，密封静置；

二、将电极引线6与32电极高速三维电容层析成像系统的1-24端口相连接，再将32电极高速三维电容层析成像系统和数据采集系统分别与成像计算机相连接，组成三维ECT系统；

三、将贴附保护层4和电极板5的两片绝缘层3粘贴于夹具7的内壁，两片绝缘层3贴于钢板13的内侧，一片绝缘层3贴于底板8的内侧，将干燥的混凝土试件1置于绝缘层3围合的框架内，旋转螺杆12以夹紧混凝土试件1、绝缘层3、保护层4和电极板5，打开电源开关，测量干燥混凝土试件1的各电极板5之间的电容值；

四、反方向旋转螺杆12，取出干燥混凝土试件1，将饱水试件置于绝缘层3围合的框架内夹紧并固定，重复步骤三，测量饱水试件各电极板5之间的电容值，得到最大电容值与最小电容值；

五、再次将干燥混凝土试件1置于绝缘层3围合的框架内夹紧并固定，在混凝土试件1的顶面粘贴注水管2，向注水管2内加入50ml去离子水，通过三维ECT系统采集水分逐步渗入混凝土试件1的过程中电容信号的变化；

六、采集到的电容信号传输到成像计算机后，采用Matlab和Origin软件进行数据处理，重建出水分随时间发展进入混凝土试件1的三维图像，得到水分进入混凝土试件1的定量信息，实现无损可视化混凝土试件1内部介质传输过程，以探究介质传输规律。

Claims

1.一种三维ECT传感器，其特征在于主体结构包括注水管、绝缘层、保护层、电极板、电极引线、夹具、底板、立杆、通孔、螺母、螺杆和钢板；混凝土试件的顶面与注水管连接，混凝土试件的侧面和底面均包覆有绝缘层，绝缘层的外部设置有保护层，绝缘层与保护层之间设置有电极板，电极板与电极引线连接，侧面的保护层的外围设置有夹具，保护层的两个相邻侧面与夹具接触，保护层的另外两个相邻侧面与夹具之间留有空隙，底面的保护层与底板连接，夹具的两端通过设置在底板上的立杆固定，与保护层之间留有空隙的夹具上开设有通孔，通孔内设置有螺母，螺杆穿过螺母将钢板固定于保护层的外部。

2.根据权利要求1所述的三维ECT传感器，其特征在于混凝土试件是长度为10cm，宽度为10cm，高度为15cm的长方体结构，混凝土试件与注水管通过硅酮胶粘贴式连接，注水管是直径为4cm，高度为15cm的无底面塑料量筒，采用硅酮胶填缝，注水管上印有刻度线。

3.根据权利要求1所述的三维ECT传感器，其特征在于绝缘层为透明的有机玻璃板，侧面的绝缘层的长度为10cm，宽度为15cm，厚度为2mm，底面的绝缘层的长度为10cm，宽度为10cm，厚度为2mm，与混凝土试件贴合。

4.根据权利要求1所述的三维ECT传感器，其特征在于保护层是厚度为5mm的泡沫双面胶带，能够降低电极板与夹具之间的杂散电容，固定电极引线的同时保护电极板不受磨损。

5.根据权利要求1所述的三维ECT传感器，其特征在于电极板是长度为4.5cm，宽度为4.5cm，厚度为0.1mm的铜箔片，电极板之间的间距为2mm，电极板距离绝缘层的边缘的距离为4mm。

6.根据权利要求1所述的三维ECT传感器，其特征在于电极引线是直径为3mm的RG316镀银射频同轴电缆。

7.根据权利要求1所述的三维ECT传感器，其特征在于夹具是厚度为1mm的不锈钢板；底板是长度为15cm，宽度为15cm，厚度为1mm的钢板。

8.根据权利要求1所述的三维ECT传感器，其特征在于立杆是长度为1cm，宽度为1cm，高度为15cm的不锈钢杆；通孔的直径为6mm；螺母是内径为6mm的六角螺母。

9.根据权利要求1所述的三维ECT传感器，其特征在于螺杆的长度为5cm，根据混凝土试件的大小进行调节；钢板的长度为10cm，宽度为14.5cm，厚度为1mm，用于贴合电极板。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的三维ECT传感器，其特征在于监测混凝土构件内部水分传输的工艺过程是：

一、制备两块混凝土试件，放置于标准养护室养护28d，取出后置于温度为105℃的鼓风干燥箱中干燥至恒重，将其中一块混凝土试件置于真空饱水仪中饱水22小时制成饱和度为100％的饱水试件，密封静置；

二、将电极引线与32电极高速三维电容层析成像系统的1-24端口相连接，再将32电极高速三维电容层析成像系统和数据采集系统分别与成像计算机相连接，组成三维ECT系统；

三、将贴附保护层和电极板的两片绝缘层粘贴于夹具的内壁，两片绝缘层贴于钢板的内侧，一片绝缘层贴于底板的内侧，将干燥的混凝土试件置于绝缘层围合的框架内，旋转螺杆以夹紧混凝土试件、绝缘层、保护层和电极板，打开电源开关，测量干燥混凝土试件的各电极板之间的电容值；

四、反方向旋转螺杆，取出干燥混凝土试件，将饱水试件置于绝缘层围合的框架内夹紧并固定，重复步骤三，测量饱水试件各电极板之间的电容值，得到最大电容值与最小电容值；

五、再次将干燥混凝土试件置于绝缘层围合的框架内夹紧并固定，在混凝土试件的顶面粘贴注水管，向注水管内加入50ml去离子水，通过三维ECT系统采集水分逐步渗入混凝土试件的过程中电容信号的变化；

六、采集到的电容信号传输到成像计算机后，采用Matlab和Origin软件进行数据处理，重建出水分随时间发展进入混凝土试件的三维图像，得到水分进入混凝土试件的定量信息，实现无损可视化混凝土试件内部介质传输过程，以探究介质传输规律。